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Programme de mathématiques MP, MPI

Calcul différentiel et optimisation

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268 exercices
Texte officiel du programme

En première année, l’étudiant a rencontré les dérivées partielles d’une fonction numérique définie sur un ouvert de $\mathbb{R}^2$.

Les objectifs de cette section sont les suivants :

  • généraliser et approfondir cette étude, en présentant les notions fondamentales de calcul différentiel dans le cadre des espaces vectoriels normés de dimension finie sur $\mathbb{R}$ ;
  • donner une introduction à la thématique de l’optimisation, en lien avec le théorème des bornes atteintes du cours de topologie.

On souligne le caractère géométrique des notions. En particulier, on exploite la possibilité de se ramener, pour un certain nombre de questions, à des fonctions d’une variable réelle, à travers l’utilisation de la formule donnant la dérivée d’une fonction le long d’un arc et la notion de vecteur tangent à une partie en un point.

Les fonctions considérées dans cette section sont définies sur un ouvert d’un $\mathbb{R}$-espace vectoriel normé $E$ de dimension finie et à valeurs dans un $\mathbb{R}$-espace vectoriel normé $F$ de dimension finie.

Le choix d’une base de l’espace d’arrivée permet de se ramener au cas des fonctions à valeurs réelles.

L3 Calcul différentiel Différentielle d'ordre supérieur, formule de Taylor

exo7 6305

Soit \(f(x,y)\) une fonction de classe \(C^2\) au voisinage du cercle ...

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6306

Déterminer les extremums (locaux et/ou globaux) de:

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6307

Discuter, suivant les valeurs du paramètre réel \(\lambda\), la nature des extremums de la fonction ...

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6308

Soit \(f: (t,x,y) \in \Rr^3 \mapsto f(t,x,y) \in \Rr\) une application de classe ...

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6309

Soit \(g(x,y,z)=xyz -32\), \({\cal S} =\{(x,y,z)\in \Rr^3 \; ;\; g(x,y,z) =0 \}\) ...

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6310

Déterminer le point \(p\) du plan \(\Sigma = \{(x,y,x+y) \; ; \; x,y\in \Rr\}\) q ...

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6311

Déterminer les extremums de la fonction \(f(x,y) =xy\) sur le cercle unité ...

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6312

Déterminer le minimum et maximum de la fonction \(f(x,y,z) = 5x+y-3z\) sur l’intersection du plan ...

L3 Calcul différentiel Extremum, extremum lié

exo7 6313

Déterminer les extremums de la fonction \(f(x,y,z) = 2x+3y+2z\) sur l’intersection du plan d’équation ...

L3 Equation différentielle Solution maximale

exo7 6324

Soit \(f: \Rr ^2 \to \Rr\) donnée par \(f(t,x)= 4\frac{t^3x}{t^4+x^2}\) si ...

L3 Equation différentielle Théorème de Cauchy-Lipschitz

exo7 6330

Soit \(f:\Rr^2\to R\), de classe \(C^2\), et ...

L3 Equation différentielle Autre

exo7 6361

Soit \(V\) un champ de vecteurs défini sur \(\Omega\subset\Rr^n\). On dit qu’une ...

L3 Equation différentielle Autre

exo7 6362

Soit \(f\) une application de classe \(C^1\) d’un ouvert ...

L3 Equation différentielle Autre

exo7 6367

Soit \(f\) une application \(C^1\) et bornée de ...

L3 Analyse complexe Fonction logarithme et fonction puissance

exo7 6660

Montrer que ...

L3 Géométrie différentielle Champ de vecteurs

exo7 6779

Soit \(\phi_2 : \Rr^2 \to S^2 \subset \Rr^3\) la carte de la sphère \(S^2\) donné ...

L3 Géométrie différentielle Champ de vecteurs

exo7 6794

Soit \(f:\Rr^4 \to \Rr^2\) défini par ...

L3 Géométrie différentielle Champ de vecteurs

exo7 6803

Pour la sphère \(S^2\) on considère la carte ...

L3 Equation différentielle Solution maximale

exo7 6837

Soit \(f: \ ]0,+\infty[\ \times \ ]0,+\infty[ \ \times \Rr \to \Rr\) la fonction ...

L3 Calcul différentiel Différentiabilité, calcul de différentielles

exo7 6839

Soit \(O \subset \Rr^n\) un ouvert et \(f:O \to \Rr^p\) une fonction. Supposons q ...

L3 Géométrie différentielle Champ de vecteurs

exo7 6840

Soit \(Y:\Rr^2 \to \Rr^2\) le champ de vecteurs \(Y(x,y) = (x^2y,xy^2)\).

L3 Géométrie différentielle Champ de vecteurs

exo7 6846

Soit \(U = \{(x,y) \in \Rr^2 \mid y\neq0\,\}\) et soit \(Y:U \to \Rr^2\) le champ ...

L2 Géométrie Analyse vectorielle solution

exo7 6874

On considère le changement de variables en coordonnées sphériques suivant : ...

L2 Géométrie Analyse vectorielle solution

exo7 6876

On considère le champ vectoriel \(\vec{V}(x,y)=(1+2xy,x^3-3)\). Ce champ est-il un champ de gradient ?

L2 Géométrie Analyse vectorielle solution

exo7 6880

On donne le champ vectoriel \[\vec{V}(x,y,z)=(y^2\cos x, 2y\sin x+e^{2z},2y e^{2z}).\]

L3 Géométrie différentielle Espace tangent, application linéaire tangente

exo7 7664

La restriction à la surface d’équation \(x^2+y^2+z^2-6x=-5\) de la fonction ...

L3 Géométrie différentielle Espace tangent, application linéaire tangente

exo7 7669

Dans tout l’exercice, \(r\) et \(h\) parcourent ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Extrema d’une fonction sur un domaine fermé

On considère la fonction \(f(x,y)=x^2+2y\) définie sur l’ensemble ...

L1 Analyse Dérivabilité des fonctions réelles solution

Extremum d'un polynôme

Soit une fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}^2\) par : ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Fonction de $n$ variables et laplacien nul

Soit \(g \colon ]0;+\infty[ \to \R\) une fonction de classe \(\mathcal{C}^2\). So ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Fonction de deux variables

On considère la fonction \(f(x,y)=x^3-3x^2y+y^3\).

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Fonction deux variables

Déterminer les extrémums locaux des applications suivantes définies sur \(\R^2\):

L1 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Fonctions homogènes

Soit \(\alpha \in \R\). Soit \(f \colon \R^* \times \R^* \to \R\) de classe ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Fonctions périodiques

Soit \(f \colon \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}\) une fonction différentiable telle que pour tout ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Gradient et lignes de niveau

On considère une colline modélisée par la fonction altitude \(f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}\) définie par : ...

L3 Optimisation Calcul différentiel solution

Gradients matriciels et règle de la chaîne

On se place dans l’espace des matrices réelles \(\mathcal{M}_{p,n}(\mathbb{R})\). On munit cet espace du produit s ...

L1 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Méthode des moindres carrés

On considère des points \(M_{1}, \ldots, M_{n}\) de \(\mathbb{R}^{2}\), et on not ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Optimisation avec contrainte

On considère la fonction \(f:\mathbb{R}^2\to\mathbb{R}\) définie par ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Optimisation d'une fonction d'efficacité sur un disque fermé

Dans une zone militaire, l’efficacité de détection d’un radar est modélisée par la fonction : ...

L3 Analyse de données Apprentissage automatique solution

Optimisation quadratique, moindres carrés

On considère la fonction \(f\) définie sur \([-1, 1]\) par ...

L3 Optimisation Fonction convexe solution

Optimisation simple

On considère la fonction \(f\) définie sur \(\mathbb{R}^2\) par ...

L3 Optimisation Fonction convexe solution

Optimisation sous contrainte (1)

Nous allons ici étudier, pas à pas, la résolution d’une question d’optimisation sous-contraintes. Nous souhaitons déterminer le maximum de la fonct ...

L3 Optimisation Fonction convexe solution

Optimisation sous contrainte (2)

Soient \(a\) et \(b\) deux réels strictement positifs. En réutilisant la méthode ...

L3 Optimisation Fonction convexe solution

Optimisation sous contrainte (3)

A présent, nous allons introduire un outil permettant d’aller plus vite dans la résolution de ces problèmes: le Lagrangien. Si l’on souhaite étudie ...

L3 Optimisation Fonction convexe solution

Optimisation sous contrainte (4)

En vous aidant de la méthode développée à l’exercice précédent, trouver les extremums de la fonction ...

L3 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Optimiser sur un triangle

On considère le triangle \[T=\{(x,y)\in\mathbb{R}^2\mid x\geq0,\ y\geq0,\ x+y\leq2\}\] et la fonction ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Points critiques d'une fonction de deux variables

Soit \(f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}\) définie par ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Points critiques et extremums de $f(x,y)=x^2y^3+(y-1)^2$

On considère la fonction \(f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}\) définie par ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Points critiques et extremums de $f(x,y)=xye^{-(x^2+y^2)}$

On considère la fonction \(f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}\) définie par ...

L2 Analyse Fonction de plusieurs variables solution

Points critiques et extremums locaux

On considère la fonction \(f : \mathbb{R}^2 \to \mathbb{R}\) définie par ...